Variazione del carbonio organico nel suolo in funzione del tempo in un prato polifita di nuovo impianto

Riassunto

L’obiettivo del progetto è la simulazione del funzionamento di una prateria naturale climax in cui il C organico si accumula nel suolo anno dopo anno a causa della scarsa biodegradabilità della lignina, realizzando un vero e proprio meccanismo di sequestro del C atmosferico. A tal fine, un prato polifita di nuovo impianto in un appezzamento di terreno dell’azienda dell’Istituto oppure, in alternativa, il prato già esistente lungo la strada di accesso alla scuola, dovrebbe essere sfalciato una volta all’anno senza rimuovere il foraggio. La quantità di carbonio organico nel suolo dovrebbe essere misurata per un periodo di tempo abbastanza lungo (almeno 5-6 anni), attraverso un opportuno campionamento probabilistico, per verificare l’ipotesi del carbon sink.

1 Introduzione

1.1 Il suolo e i cambiamenti climatici

Il ciclo globale del carbonio (C) svolge un ruolo chiave nella crisi climatica che coinvolge l’intero Pianeta Terra. Gli effetti catastrofici di tale crisi si stanno manifestando con sempre maggiore frequenza sotto forma di eventi meteorologici estremi, che hanno recentemente colpito anche il nostro paese, come la Tempesta Vaia, un intenso ciclone che il 29 ottobre 2018 scatenò violentissime raffiche di scirocco spianando intere foreste sulle Alpi orientali (tra cui la famosa selva dei violini in Val di Fiemme), mareggiate, straordinarie onde di marea sull’alto Adriatico, e piogge alluvionali, oltre a mietere 16 vittime dal Trentino alla Campania (in gran parte per lo sradicamento di alberi in ambiente urbano) e danni per miliardi di euro e, più recentemente, l’alluvione che, tra il 2 e il 3 ottobre 2020, ha devastato l’entroterra di Nizza (valli Roia, Vésubie, Var), interrompendo in più punti sia la strada statale 20 sia la linea ferroviaria Cuneo-Ventimiglia, le Alpi Marittime e Liguri oltre al Piemonte settentrionale (Biellese, Sesia e Verbano), in seguito all’imponente flusso caldo-umido mediterraneo pilotato dalla tempesta atlantica “Alex”; si è trattato di un evento eccezionale per la gravità degli effetti innescati da 24-30 ore di piogge straordinarie che in varie località hanno superato i 400-500 mm.
Il nostro paese è particolarmente esposto agli effetti dei cambiamenti climatici non solo per la sua posizione geografica al centro del sempre più caldo Mar Mediterraneo ma anche per la vulnerabilità di un territorio, in gran parte collinare e montano, interessato da diffusi fenomeni di dissesto idrogeologico, aggravati dalla inarrestabile antropizzazione e cementificazione di vastissime aree e dalla artificializzazione degli alvei di molti corsi d’acqua (Figure 1-4).

Figura 1. Consumo di suolo in Italia Settentrionale nel 2019 (ha per comune). Fonte: https://webgis.arpa.piemonte.it/secure_apps/consumo_suolo_agportal/?entry=5

Figura 2. L’area expo-2015 nel 2001 (a sinistra) e nel 2017 (a destra).

Il consumo di suolo netto è valutato attraverso il bilancio tra il consumo di suolo e l’aumento di superfici agricole, naturali e seminaturali dovuti a interventi di recupero, demolizione, deimpermeabilizzazione e rinaturalizzazione. Tuttavia, i processi di rigenerazione dei suoli sono rari, complessi e richiedono notevoli apporti di energia e tempi lunghi per ripristinare le condizioni intrinseche del suolo prima della sua impermeabilizzazione.

Tabella 1. Consumo di suolo in Piemonte. Fonte: ISPRA.

Figura 3. Il profilo del suolo dipende dalla giacitura della superficie presa in considerazione. A: orizzonte superficiale del suolo (topsoil); B: sottosuolo (subsoil); C: roccia interessata da fenomeni di dissoluzione chimica (weathered rock); R: roccia madre (solid rock). Fonte: https://esdac.jrc.ec.europa.eu/public_path/shared_folder/Atlases/JRC_global_soilbio_atlas_high_res-2019-06-13.pdf

L’abbandono delle aree marginali di montagna e di collina, non più sottoposte ad opere di regimazione delle acque e di manutenzione delle reti idriche esistenti, con accumuli di sedimenti e di materiale vegetale negli alvei dei corsi d’acqua, soprattutto a monte dei ponti, ha effetti potenzialmente rovinosi, rendendo sempre più urgente un graduale cambiamento nell’uso del suolo.

Figura 4. I suoli che si trovano ai piedi dei versanti collinari o montani ricevono maggiori quantità di acqua e di sedimenti rispetto a quelli delle zone sommitali. Sebbene l’erosione sia una minaccia dal punto di vista della conservazione della fertilità del suolo, essa contribuisce alla formazione di nuovo suolo (pedogenesi) depositando materiale grezzo a valle. Fonte: https://esdac.jrc.ec.europa.eu/public_path/shared_folder/Atlases/JRC_global_soilbio_atlas_high_res-2019-06-13.pdf

Anche una gestione non sostenibile dei pascoli ha effetti potenzialmente rovinosi: il calpestio degli animali e l’eccessivo consumo dell’erba rendono discontinua la copertura vegetale, esponendo il suolo all’erosione. Gli scienziati dell’Università di Stirling, in Scozia, in collaborazione con Garðar Guðmundsson, dell’istituto islandese di archeologia, hanno scoperto che il pascolamento invernale degli ovini praticato per quasi tre secoli ha contribuito al degrado del suolo in alcune zone dell’Islanda. Oggigiorno l’erosione interessa oltre il 70% del territorio dell’isola, e si stima che dall’inizio della colonizzazione vichinga nel IX secolo almeno il 40% dello strato più superficiale, e fertile, del suolo islandese sia andato perso.

1.2 Il suolo ed il riciclo dei nutrienti

I nutrienti sono elementi chimici utilizzati dalle piante e da altri organismi per il proprio sviluppo. I suoli sono la fonte principale di carbonio organico e di nutrienti come l’azoto e il fosforo. Questi ultimi, insieme al potassio, sono necessari in grandi quantità (macronutrienti); i micronutrienti, invece, richiesti in quantità minori, comprendono il ferro, il manganese, il boro, il molibdeno, il rame, lo zinco, il cloro, il nickel, lo zolfo e il cobalto. L’azoto è essenziale per la crescita delle piante, facendo parte della molecola della clorofilla, oltre ad essere incluso in aminoacidi e proteine. Il fosforo è presente nel DNA ed è importante per la fotosintesi, la respirazione, la salute dell’apparato radicale e la germinazione del seme. Il potassio è fondamentale per la fotosintesi, la sintesi proteica, la regolazione del bilancio idrico della pianta e per la resistenza alle malattie. I micronutrienti, invece, sono necessari come cofattori per l’attività enzimatica. La carenza di un nutriente può tradursi non solo in un deperimento della pianta e/o in una minor produttività, ma anche nella riduzione della biodiversità complessiva, dal momento che le piante supportano le reti trofiche sia superficiali che sotterranee.
Il ciclo dei nutrienti consiste nel rilascio di tali elementi minerali dalla roccia madre alla soluzione circolante nelle cavità del suolo, per effetto della degradazione meteorica (rock weathering), sotto forma di semplici ioni assimilabili dalle piante e da altri organismi, e dalla successiva degradazione della sostanza organica, grazie alla quale i nutrienti stessi possono essere riciclati. Tutti gli organismi del suolo contribuiscono al riciclo di questi elementi chimici attraverso una serie di processi fisici, come la frammentazione della lettiera, la bioturbazione (processamento delle particelle di suolo e di sedimenti da parte di vari organismi: scavo di buche, ingestione e defecazione di materiale precedentemente ingerito) ed il trasporto di particelle di suolo da un orizzonte all’altro, e chimici: mineralizzazione della sostanza organica, trasformazioni catalizzate da enzimi. L’80÷90% della produzione primaria entra nel sistema sotterraneo sotto forma di necromassa: vegetale (lettiera, legno marcescente, radici) ed animale (escrementi, tessuti vari, carcasse). Azoto, fosforo e potassio entrano nella pedosfera attraverso le concimazioni, mentre i primi due elementi anche per mezzo delle piogge acide, come ossidi (\(NO_{x}\) ed \(SO_{x}\)). Umidità e temperatura del suolo possono alterare il riciclo dei nutrienti influenzando l’attività microbica: il riscaldamento globale, quindi, aumentando la mineralizzazione della necromassa, può impoverire il suolo di azoto, favorendo il flusso di questo elemento nelle acque sotterranee e superficiali. Inoltre, il degrado del suolo è una delle principali minacce che l’umanità deve attualmente affrontare, e può interferire sui cicli biogeochimici del carbonio, dell’azoto e del fosforo (Figura 5).

Figura 5. Cause di degrado del suolo. L’eccesso di nutrienti può risultare tossico per le piante ma può anche alterare i cicli biogeochimici dei vari elementi. Per esempio, un eccesso di concimazione azotata può comportare perdite di nitrato per solubilizzazione e percolazione nelle acque sotterranee, con la conseguente eutrofizzazione marina.

1.3 I servizi ecosistemici del suolo

Il suolo è composto da organismi viventi, minerali, sostanza organica, aria ed acqua e svolge svariati servizi ambientali, sociali ed economici di importanza vitale (Figura 6).

Figura 6. Relazioni fra la biodiversità del suolo ed i servizi ecosistemici che esso svolge, ossia i contributi diretti ed indiretti dell’ecosistema suolo al benessere della società umana. Fonte: http://www.fao.org/3/cb1928en/CB1928EN.pdf

Figura 7. Oltre ad offrire alle comunità umane tutta una serie di servizi essenziali, il suolo svolge molte funzioni (processi biologici che sostengono e conservano stabile un ecosistema).

La biodiversità del suolo è essenziale al sostentamento della vita sulla Terra, compresa quella umana. Con l’adozione dell’Agenda per lo Sviluppo Sostenibile 2030, gli Stati membri delle Nazioni Unite si sono impegnati a perseguire la realizzazione di 17 obiettivi (Sustainable Development Goals, SDGs) per migliorare e supportare la vita umana e la biosfera nel suo insieme da cui l’umanità dipende. Senza il suo guscio esterno pulsante di vita, il pianeta Terra sarebbe una landa desolata e deserta. Dal punto di vista ecologico, infatti, il suolo è un habitat incredibile per la miriade di creature che lo popolano (Figura 8).

Figura 8. Dai virus ai mammiferi: la sbalorditiva varietà di organismi che vivono nel suolo. Fonte: http://www.fao.org/3/cb1928en/CB1928EN.pdf

Tuttavia, l’importanza del suolo e la molteplicità di servizi ambientali che da esso dipendono sono in gran parte ignorati dalla società umana nel suo complesso. Infatti, a partire dalla Rivoluzione Industriale e dalla conseguente urbanizzazione di miliardi di esseri umani in tutto il mondo, la maggior parte delle persone, avendo perso qualsiasi contatto con la Natura, trascura il fatto che è dalla Madre Terra, dal suolo che il cibo proviene. Nei paesi industrializzati quasi tutti ormai considerano sé stessi «cittadini», dal momento che di fatto sono abitanti delle città, e delegano la produzione alimentare ad un’esigua minoranza di professionisti che svolgono un lavoro sconosciuto ai più: l’essenziale è che il settore primario provveda a rifornire gli scaffali dei supermercati. Da dove provengano quei prodotti preconfezionati e quale ruolo svolga il terreno per ottenerli rimane un mistero per molti di noi.

1.4 La sostanza organica del suolo

La sostanza organica è concentrata negli orizzonti più superficiali del suolo (Figura 9) e può essere classificata in tre categorie:
1) leggermente decomposta: i residui vegetali sono visibili ad occhio; 2) stadio intermedio di decomposizione con residui ancora visibili; 3) strato organico completamente decomposto in cima al suolo minerale.

Figura 9. Una sezione verticale di suolo è formata da vari strati, detti «orizzonti», il più sottile e superficiale dei quali è formato da residui indecomposti o solo parzialmente decomposti di piante, funghi, animali ed altri organismi (orizzonte organico O). L’orizzonte O non è, generalmente, saturo d’acqua (in caso contrario viene definito orizzonte H) e il suo contenuto minerale è molto basso. Al di sotto dell’orizzonte O, si trova uno strato scuro (A), ricco di sostanza organica; è qui che avviene la maggior parte dei processi biologici e chimici (sviluppo della biomassa, degradazione della necromassa e rilascio di nutrienti, formazione di acidi organici e loro interazione con i minerali ecc.). Se questo strato viene rimosso, la sua rigenerazione può richiedere secoli. Colori marroni, giallastri o rossicci dei suoli derivano dalla presenza di ossidi (molto spesso ferrici), formatisi in seguito alla dissoluzione chimica dei minerali, mentre tonalità grigiastre o bluastre possono risultare da reazioni chimiche in ambiente anossico, per esempio in substrati saturi d’acqua. Verso la base del sottosuolo si trova uno strato (C) in cui i processi pedogenetici sono meno attivi, formato da blocchi, esito della frammentazione del substrato roccioso sottostante, il quale costituisce la roccia madre (R). Fonte: https://esdac.jrc.ec.europa.eu/public_path/shared_folder/Atlases/JRC_global_soilbio_atlas_high_res-2019-06-13.pdf

Il suolo è un microcosmo, un mondo affascinante ed incredibilmente complesso fatto di cavità (pori) e di particelle, dette aggregati, che vengono classificati in tre categorie in base alla loro grandezza: 
• macroaggregati (> 250 μm);

• microaggregati (50 - 250 μm);

• aggregati di argilla e di limo (< 50 μm).
Questa varietà di dimensioni, così come le loro proprietà fisico-chimiche, realizzano un’enorme diversità di microhabitat per gli organismi che vivono nel suolo. Per esempio, i piccoli pori all’interno degli aggregati argillosi proteggono i batteri dai predatori ma limitano anche il flusso di aria, acqua e l’apporto di nutrienti. Ciò rende tale habitat molto stabile e meno esposto ai danni meccanici dovuti alle lavorazioni e agli effetti negativi degli inquinanti ambientali, come i metalli pesanti. I microaggregati sono habitat intermedi, popolati per es. da nematodi. È qui che si concentrano la fissazione dell’azoto atmosferico, la denitrificazione e la metanogenesi, grazie alle condizioni di anossia che prevalgono in questo ambiente. Il C organico, oltre a filtrare e purificare l’acqua, la trattiene nel suolo: secondo alcune ricerche, un aumento dell’1% della SOM (Soil Organic Matter) comporterebbe l’1,5% in più di acqua nel terreno, grazie a pori più grandi.
L’incremento della capacità di ritenzione idrica del suolo è fondamentale durante i sempre più frequenti periodi di siccità (come quella dell’estate 2017), dal momento che il terreno rilascia l’umidità molto lentamente. D’altra parte, un suolo stabile e ben strutturato, in cui non si formi una crosta dura impermeabile in superficie, facilita l’infiltrazione dell’acqua nel corso di forti piogge, riducendo il rischio di inondazioni a valle. Nel terreno il C organico si distribuisce in frazioni, ciascuna delle quali possiede caratteristiche uniche, anche dal punto di vista dei tempi di turnover e, quindi, della capacità di sequestro del C: 
• residui vegetali;

• particolato organico (Particulate Orgnic Matter, POM);

• humus;

• C organico resistente alla degradazione batterica.
La frazione particolata è composta da residui vegetali ed animali parzialmente decomposti, da ife fungine, spore, frammenti di radici e semi, che formano particelle di dimensioni > 0,05 mm; essa rappresenta un’importante fonte di energia per i microrganismi. Dalle frazioni attive della materia organica del suolo, costituite dalla biomassa microbica e dal C mineralizzato, che forniscono nutrienti alle piante, dipende la fertilità del terreno, mentre la frazione resistente alla biodegradazione, costituita prevalentemente dalla lignina, ha la capacità di sequestrare il C, contribuendo alla mitigazione del cambiamento climatico. A 3 m di profondità nel sottosuolo è immagazzinata una quantità di C pari a 3,3 volte quella atmosferica (760 Gt) ed a 4,5 volte quella biosferica (560 Gt). Si stima che i suoli agrari e quelli degradati, se opportunamente gestiti, potrebbero sequestrare, fin da adesso ed a bassi costi, dal 5 al 15% delle emissioni globali da combustione delle fonti energetiche fossili (carbone, petrolio e gas naturale). Occorre sottolineare che il dissodamento di praterie naturali e foreste a scopi agricoli ha comportato una riduzione del 40-60% del SOC (Soil Organic Carbon), nonché l’emissione di 150 Gt di \(CO_{2}\) in atmosfera.
Le lavorazioni del suolo, i lunghi periodi a maggese e la combustione o il pascolamento delle stoppie impoveriscono il suolo delle frazioni carboniose più stabili; viceversa, pratiche gestionali come i pascoli e lo sviluppo della vegetazione spontanea favoriscono un aumento del particolato organico e dei residui vegetali, con effetti positivi sulla capacità del suolo di resistere all’erosione e di trattenere i nutrienti minerali, che si legano al C organico formando aggregati: più del 95% dell’azoto e dal 20 al 75% del fosforo naturalmente presenti nel suolo sono contenuti in (o legati a) composti organici. I composti organici che costituiscono l’humus legano i cationi, sia i nutrienti per le piante (\(K^{+}\), \(NH_{4}^{+}\), \(Ca^{2+}\)) sia i metalli pesanti come il piombo (\(Pb^{2+}\)) e il rame (\(Cu^{2+}\)), grazie alla presenza di gruppi carbossilici e fenolici, carichi negativamente.
La sostanza organica del suolo (SOM, Soil Organic Matter) può essere estratta dalla matrice inorganica, costituita da sabbia, limo ed argilla) con una soluzione fortemente basica e, successivamente, frazionata per precipitazione con acidi o sali metallici, o sfruttando la differente solubilità in solventi organici dei suoi componenti (1). Si ottengono, così, tre frazioni, di peso molecolare decrescente: umina, acido umico ed acido fulvico. Queste frazioni, note come sostanze umiche, sono formate da una miscela di vari composti organici, le cui proprietà chimiche dipendono dalla presenza di gruppi funzionali carbossilici e fenolici. La validità di tale metodo di analisi, sebbene sia ancora ampiamente applicato, è stata messa in discussione dal momento che non consentirebbe di isolare composti chimici puri; secondo alcuni autori le sostanze umiche sarebbero degli artefatti, inesistenti in natura, mentre la sostanza organica consisterebbe in una serie di composti intermedi del processo di biodegradazione della necromassa (Figura 10).

Figura 10. Visioni tradizionali ed emergenti della natura della sostanza organica del suolo influenzano l’approccio seguito nella gestione non solo della pedosfera, ma anche dell’atmosfera e dell’idrosfera. Il concetto tradizionale di «umificazione» è legato al metodo analitico comunemente utilizzato per separare la sostanza organica del suolo dalla componente minerale di quest’ultimo, attraverso l’estrazione in solventi alcalini come l’NaOH, mentre la visione emergente della sostanza organica del suolo si basa sulla solubilità in acqua dei composti che la formano e sulla loro accessibilità da parte dei microrganismi. I suoli sono un’importante fonte di sostanza organica per gli ecosistemi acquatici e sono responsabili per la metà del riciclo del carbonio atmosferico. Le riserve e i flussi di C sono indicati in Pg (petagrammi = 1015 g = 109 ton); i numeri in marrone esprimono le riserve, quelli in blu i flussi annui mentre quelli con l’* sono i valori disaggregati delle emissioni totali di C, pari a 119 Pg all’anno. Come si può constatare, il suolo contiene più C della biosfera e dell’atmosfera messe assieme. Lehmann, J., & Kleber, M. (2015). The contentious nature of soil organic matter. Nature, 528 (7580), 60-68.

2 Materiali e metodi

2.1 Descrizione dell’area di studio: caratteristiche del paesaggio, proprietà del suolo e storia agronomica del sito

…

2.2 Delimitazione e rilievo topografico dell’area

…

2.3 Preparazione del terreno, semina e sfalcio dell’erba

Possibile miscuglio di specie: Lolium perenne - loglio perenne; Alopecurus pratensis - coda di volpe; Phleum pratense - coda di topo; Anthoxanthum odoratum - paleo odoroso; Arrhenatherum elatius - avena altissima; Trisetum flavescens - avena bionda; Cynosurus cristatus - coda di cane; Dactylis glomerata - erba mazzolina; Poa pratensis - erba fienarola; Trifolium pratense - trifoglio dei prati; Trifolium repens - trifoglio ladino; Medicago sativa - erba medica; Onobrychis viciifolia - lupinella comune; Vicia sativa - veccia comune.
Il prato sarà sottoposto ad un solo sfalcio annuale e, allo scopo di simulare il funzionamento di un ecosistema naturale in equilibrio, il foraggio, invece di essere raccolto, sarà lasciato sul posto.

…

2.4 Procedura di campionamento

La procedura da seguire nel campionamento deve tener conto del fatto che l’obiettivo della ricerca è la stima della variazione nella quantità di C sequestrata dal suolo in Mg * ha-1 (tonnellate per ettaro). La quantità di C organico contenuta nel suolo è il risultato di un equilibrio dinamico tra l’input della fotosintesi, che aggiunge sostanza organica sotto forma di lettiera, e l’output della degradazione biotica, che rimuove C dal suolo liberandolo come CO2 in atmosfera. Tale equilibrio può essere alterato dalle pratiche agronomiche o dal cambiamento climatico; la variazione del SOC sarà, comunque, piuttosto esigua (< 0,5 Mg * ha-1), soprattutto se confrontata con la grande quantità di C organico presente nello strato superficiale del suolo, fino alla profondità di 60 cm, che può superare i 100 Mg * ha-1 (Carter, M. R., & Gregorich, 2007). Quindi i cambiamenti nel SOC possono essere misurati in modo attendibile solo in un arco temporale molto lungo, di anni o addirittura decenni.
Le variazioni temporali, riconducibili alle pratiche di gestione agronomica, a cambiamenti ambientali o allo stadio successionale della cenosi, devono essere distinguibili dalle variazioni spaziali dovute all’eterogeneità delle condizioni ecologiche o dei trattamenti subiti dall’area di studio. Non solo il campione dovrà essere statisticamente significativo e rappresentativo dell’area di studio ma si dovrà anche fornire un’indicazione del livello di confidenza delle misure.

Figura 11. Diminuzione della differenza minima rilevabile (Minimum Detectable Difference, MDD) tra valori medi del C organico in due anni consecutivi per valori differenti della varianza di tale parametro, in funzione del numero di campioni di suolo (ogni tacca sull’asse orizzontale indica un valore doppio del precedente). L’MDD fu calcolato per un livello \(α\) = 0,05 (probabilità dell’errore di tipo I, di rifiutare l’ipotesi nulla \(H_{0}\) quando essa è vera; in questo caso, H0: c’è una differenza nella quantità di C tra un determinato anno e il precedente, ipotesi alternativa Ha: non c’è differenza). Le curve corrispondono a varianze crescenti (\(σ^{2}\)) per un ipotetico orizzonte del suolo contenente una media di 40 Mg di C / ha, con un coefficiente di variazione crescente, dal 5 al 25%. Da Ellert et al., 2007.

Assumendo che la varianza sia molto bassa, per rilevare una differenza di 2 Mg * ha-1 dovrebbero bastare 20 campioni di suolo all’anno per un periodo non inferiore a 5÷6 anni. Il campionamento implica la scelta, dalla popolazione totale, di un sottoinsieme di elementi o campioni, sui quali verranno effettuate le misurazioni; queste ultime saranno utilizzate per stimare le proprietà (o parametri) della popolazione complessiva. Infatti, misurare tutti gli elementi della popolazione è impossibile a causa del loro elevatissimo numero: per es., un campo di 1 ha contiene qualcosa come un milione di buche di 1 dm2! Nonostante ciò, il campione dev’essere rappresentativo della popolazione, se si vogliono inferire i parametri di quest’ultima, come la quantità media di C organico (in Mg * ha-1).
Il campionamento probabilistico prevede che i campioni di suolo vengano prelevati in località casuali e consente di valutare l’accuratezza delle stime del parametro oggetto di inferenza statistica attraverso il calcolo di indici di dispersione intorno alla media, come la varianza (Carter & Gregorich, 2007). Utilizzando un’applicazione GPS (Global Positioning System) per smartphone, si possono ottenere le coordinate di un determinato punto.

Figura 12. Con una semplice applicazione per smartphone, si possono ottenere le coordinate geografiche di un qualsivoglia punto della superficie del pianeta.

Quindi, basterà sostituire alle ultime tre cifre della longitudine e della latitudine, che rappresentano i millesimi di grado secondo, con numeri casuali estratti da una distribuzione uniforme, compresi fra 0 e 999 1. Sarà, così, possibile ottenere campioni indipendenti. Anche la posizione spaziale dei punti di campionamento (sample points) è importante, e dovrebbe essere riportata su di una mappa. Infatti, i cambiamenti temporali nel C organico del suolo possono essere misurati più facilmente se i campioni raccolti negli anni successivi vengono estratti in stretta prossimità di siti già campionati. I punti di campionamento dovrebbero, perciò, essere contrassegnati con apposite asticelle verticali conficcate nel terreno.
Per quanto riguarda la profondità di campionamento, secondo Ellert et al. (2007), i campioni di suolo dovrebbero essere prelevati ad una profondità minima di 60 cm nel caso di piante perenni, nonostante la difficoltà di rilevare cambiamenti significativi di C organico nel suolo (per es., 2 Mg C * ha-1) a partire da valori medi che si riferiscano a notevoli spessori di terreno.
Poiché la quantità di C aumenta con la profondità, si può assumere che la velocità con cui tale variabile cambia nel tempo, ossia \(dx/dt\), in cui \(x\) è il C organico per ettaro e \(t\) è il tempo, diminuisca in modo esponenziale all’aumentare della profondità. I soil cores potrebbero, allora, essere estratti a profondità casuali, comprese fra 0 e 60 cm circa, distribuite esponenzialmente, per far sì che lo strato più rappresentato nel campione statistico sia quello maggiormente suscettibile di subire variazioni temporali nella quantità di C organico, aumentando, così, la sensibilità dello studio senza introdurre un significativo bias statistico. Strawn et al. (2020), infatti, sottolineano che la necromassa vegetale (frammenti di radici, lettiera ecc.) non dovrebbe essere rimossa prima di effettuare l’analisi chimica per non sottostimare la quantità di C presente negli orizzonti più superficiali del suolo, come l’orizzonte A, in cui i detriti vegetali possono rappresentare oltre il 20% della sostanza organica del suolo.

Figura 13. Densità di probabilità da cui verranno estratti i valori della profondità alla quale prelevare i singoli campioni di suolo: il parametro beta = 20 cm è il valore atteso.

Le coordinate spaziali dei punti di campionamento si possono determinare utilizzando la funzione <profondità.suolo> di R, che accetta come input il numero \(n\) di valori estratti da una distribuzione esponenziale di parametro \(beta\), da una distribuzione uniforme compresa fra zero e \(lim\), e il numero di campioni di suolo (\(samples\)). La scelta dei valori di profondità (in m) da cui estrarre i campioni si basa su un semplice algoritmo di tipo “accetta-rifiuta”: ogni valore, estratto dalla distribuzione \(exp\), viene confrontato con il corrispondente valore estratto dalla distribuzione \(unif\): se è minore, il valore viene accettato, altrimenti viene rifiutato. In particolare, come si deduce dalla Figura 13, scegliendo \(beta\) = 20, i valori di profondità vengono estratti in modo sì casuale ma prevalentemente dagli strati più superficiali del suolo, aumentando la sensibilità dell’analisi alle variazioni della quantità di C organico da un anno al successivo. Ogni profondità maggiore di un numero casuale estratto da una distribuzione uniforme compresa, per es., fra 0 e 100 cm, viene rifiutata; infatti, se il campionamento fosse uniforme, la probabilità di rilevare cambiamenti significativi nel parametro oggetto di studio in un arco temporale così breve (5÷6 anni) sarebbe estremamente bassa a causa della lentezza con cui il C migra negli strati inferiori del suolo.

Tabella 2. Localizzazione spaziale dei punti di campionamento. Le coordinate dei punti sono state estratte da distribuzioni uniformi, ad eccezione delle profondità, prodotte da un algoritmo di tipo “accetta-rifiuta”, che accetta valori estratti da una distribuzione esponenziale (avente come valore atteso \(beta\) = 20 cm) a condizione che essi siano minori di numeri uniformi compresi fra 0 e \(lim\) = 80 cm; il numero dei campioni (\(samples\)) è uguale a 200.

##   prof.acc.cm     prof.rif.cm    
##  Min.   : 0.00   Min.   :  1.00  
##  1st Qu.:15.25   1st Qu.: 22.75  
##  Median :30.50   Median : 44.50  
##  Mean   :31.79   Mean   : 49.88  
##  3rd Qu.:45.75   3rd Qu.: 67.50  
##  Max.   :77.00   Max.   :131.00  
##  NA's   :138     NA's   :112

Tabella 3. Statistica riassuntiva delle profondità, rispettivamente accettate e rifiutate, dei punti di campionamento (in cm).

Come si può constatare, la media dei valori di prodondità di campionamento accettati dall’algoritmo accetta-rifiuta (31.79 cm) è significativamente minore di quella dei valori rifiutati (49.88 cm). 
grammi.di.C.per.kg.di.suolo
## [1] 16.9 24.9 19.7
densità.del.suolo.grammi.per.cc
## [1] 1.4 1.3 1.1
ton.di.suolo.per.mq=densità.del.suolo.grammi.per.cc*770/10^3
ton.di.suolo.per.mq
## [1] 1.078 1.001 0.847
ton.di.suolo.per.ha=ton.di.suolo.per.mq*10^4
ton.di.suolo.per.ha
## [1] 10780 10010  8470
ton.di.C.per.ha=grammi.di.C.per.kg.di.suolo*ton.di.suolo.per.ha/10^3
ton.di.C.per.ha
## [1] 182.182 249.249 166.859
mean(ton.di.C.per.ha)
## [1] 199.43

Questa è la quantità media di carbonio in un ettaro di prato (in tonnellate).

Tabella 4. Esempio di calcolo della quantità di Carbonio per ettaro (in ton), fino alla profondità di 68 cm, a partire dalla concentrazione del C nei vari campioni e dalla densità del suolo.

Lo spessore del suolo sottoposto a campionamento, che viene a coincidere con il valore massimo accettato (in questo caso 68 cm), è necessario per calcolare la quantità di suolo per unità di superficie dal prodotto del volume del suolo (680 dm3 * m-2) per la sua densità (kg * dm-3). Successivamente, si moltiplica la concentrazione del C (in g di C * kg-1 di suolo) misurata sperimentalmente per la quantità di suolo per unità di superficie (ton di suolo * ha-1), ottenendo la quantità di C per ettaro (in ton).
Per evitare che l’aumento annuale del C organico venga mascherato dalla variabilità spaziale, ciascuno dei 20 campioni di suolo verrà estratto sempre alla stessa profondità, lungo una circonferenza di 1 m di raggio, centrata nel punto di campionamento del primo anno; i punti di campionamento successivi, ossia quelli del 2°, 3°… anno, saranno determinati in base all’azimut calcolato dalla funzione profondità.suolo di R, che estrae numeri casuali distribuiti uniformemente fra 0 e 360.

Figura 14 Esempio di localizzazione dei punti di campionamento in tre anni succesivi. Il punto di campionamento al 1° anno coincide con il centro della circonferenza, quelli agli anni successivi con le intersezioni fra quest’ultima e i vettori di azimut (vedi spiegazione nel testo). ▲punto di campionamento al 1° anno; ● punto di campionamento al 2° anno; ■ punto di campionamento al 3° anno;…

2.5 Analisi di laboratorio e validazione del metodo

Il metodo utilizzato da Roper et al. (2019) consiste nell’utilizzo di una soluzione 0,167 M di dicromato di potassio (K2Cr2O7) per ossidare il C organico del suolo (SOC) e di 0,5 M di solfato ferroso (FeSO4) per ridurre l’eccesso di dicromato in soluzione. Il contenuto di C del suolo viene stimato in funzione della quantità di dicromato consumata nella reazione. Approssimativamente 1 g di suolo disidratato fu posto in un fiasco di Erlenmeyer a cui furono aggiunti 10 ml di K2Cr2O7 0,167 M. Dopo aver mescolato il tutto, 20 ml di acido solforico (H2SO4) concentrato furono aggiunti per scaldare la soluzione aumentandone la reattività. La soluzione fu quindi diluita a circa 75 ml con acqua deionizzata e lasciata raffreddare per almeno 30 minuti. La soluzione rimanente fu filtrata per gravità in un fiasco di Erlenmeyer da 250 ml, dopo essere stata filtrata attraverso una carta con maglia da 5 a 10 mm in un un imbuto in vetro. Dopo aver lavato diverse volte il suolo e la carta da filtro con acqua deionizzata, la soluzione fu preparata per la titolazione aggiungendo ferroina [(1,10-fenantroina Fe(II))SO4] 0,025 M come indicatore cromatico. La titolazione della soluzione con il solfato ferroso fu effettuata con un mescolamento continuo fino al totale consumo del dicromato. Soluzioni senza suolo furono utilizzate per calibrare la concentrazione del FeSO4 prima di analizzare i campioni di suolo. La concentrazione di carbonio nel suolo fu calcolata assumendo che tutto il C venisse ossidato dal dicromato, senza che avvenissero altre reazioni redox con il reagente quando il suolo era in sospensione nella soluzione, e che 1 mole di carbonio reagisse con ogni mole di dicromato che fosse stata neutralizzata nella soluzione prima della titolazione con il solfato ferroso. …

2.6 Tempi previsti e risorse impiegate

Il campionamento e la successiva analisi dei dati saranno svolti nel corso di sei anni…

2.7 Analisi statistica

Dal momento che il progetto si svolgerà nel corso di 6 anni, altrettanti valori annuali di carbonio organico (in Mg di \(C * ha^{-1}\)), saranno calcolati come medie dei 20 campioni raccolti ogni anno. La serie temporale così ottenuta può essere sottoposta ad un test per la casualità o runs test (Wackerly et al., 2002): come suggerisce il nome, il runs test viene utilizzato per studiare una sequenza di eventi ogni elemento della quale può assumere uno di due possibili risultati, successo (S) o fallimento (F).
In generale, in una serie temporale costituita dai valori di una stessa variabile misurata ad intervalli regolari di tempo, uno scostamento dalla casualità potrebbe essere dovuto ad una tendenza, all’aumento o alla diminuzione, o ad una periodicità. Nel caso del C organico in un prato di nuovo impianto la tendenza prevista è, ovviamente, all’aumento e può essere rilevata esaminando le deviazioni dei valori annuali dalla loro media. Le deviazioni positive e negative possono essere contrassegnate come successi (S) e, rispettivamente, fallimenti (F).
Se, per es., il risultato della ricerca fosse uno dei seguenti:

F S F S F S, S F S F S F, F S S F F S, S F F S S F, …

la mancanza di un qualsivoglia trend nelle successive misurazioni sarebbe evidente. Ma se valori inferiori alla media si osservassero soltanto nei primi due o nei primi tre anni della ricerca,

F F S S S S,

F F F S S S,

si potrebbe applicare il runs test per calcolare la probabilità che ciascuno dei due risultati sia effetto soltanto della casualità. Per «run» si intende, infatti, una sequenza di elementi identici fra loro: in entrambi i casi ci sono due runs, ma occorre tener conto del fatto che il numero dei successi, ossia dei valori sopra la media, è diverso (Tabella 5).

Tabella 5. Distribuzione del numero totale di runs R in 2 campioni di taglia \((n_{1}, n_{2})\) = 6, in cui n1 = numero di fallimenti (valori < della media) ed n2 = numero di successi (valori > della media). La tabella indica la probabilità di osservare un numero di runs ≤ a, assumendo che l’ipotesi di variazione casuale della grandezza presa in considerazione sia vera. Per es., con due valori sotto la media e quattro sopra, la probabilità di due soli runs è del 13% circa, mentre con 3 valori sopra la media e tre sotto è del 10%: in entrambi i casi sarebbe improbabile che i valori misurati della variabile oggetto di studio siano dovuti soltanto al caso e si dovrebbe, perciò, concludere che i dati supportano l’ipotesi alternativa di una tendenza al rialzo della variabile stessa. Da Wackerly et al., 2002.

  1. Ricadute didattiche

…

Bibliografia

Carter, M. R., & Gregorich, E. G. (Eds.). 2007. Soil sampling and methods of analysis. CRC press.

Ellert et al., Measuring Change in Soil Organic Carbon Storage. In Carter, M. R., & Gregorich, E. G. (Eds.). (2007). Soil sampling and methods of analysis. CRC press.

Strawn, D. G., Bohn, H. L. e O’Connor, G. A. 2020. Soil Chemistry – Fifth Edition. Wiley Blackwell ed., 356 pp.

Wackerly, D., Mendenhall, W., & Scheaffer, R. L. (2002). Mathematical statistics with applications. Duxbury Advanced Series - Thomson Learning.

Webster, R., & Oliver, M. A. (2007). Geostatistics for environmental scientists. John Wiley & Sons.

  1. Non ci si dovrà preoccupare della scarsa accuratezza delle coordinate dal momento che, trattandosi di un errore sistematico, ossia dovuto all’imprecisione dello strumento, è approssimativamente costante al ripetersi della misurazione.↩︎